霍尔效应揭示了自旋冰中隐藏的对称性

　　奥格斯堡大学(University of Augsburg)的物理学家通过在低温下的电测量，成功地区分了磁化强度相似但旋转方向相反的手性序。这与复杂磁体的基础研究和磁性数据存储的可能应用有关。研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

　　电流和磁力彼此直接相连:电流传输电缆产生圆形磁场，反之亦然，磁场使垂直于电流和磁场方向的带电粒子偏转。后一种现象被称为“霍尔效应”，以纪念其发明者埃德温·霍尔。

　　霍尔效应被用来探测金属的电和磁特性。“正常霍尔效应”使我们能够确定充电器载流子的浓度和它们的迁移率，而磁体中出现了一个额外的贡献，称为“异常霍尔效应”。

　　奥格斯堡大学物理研究所发现，反常霍尔效应可能揭示了一种隐藏的对称性。实验物理学教授Philipp Gegenwart解释说:“尽管磁化强度相等，但两种状态显示出明显不同的异常霍尔信号，这是一个令人惊讶和惊人的观察。”

　　此次研究是利用Gegenwart教授小组4年前发现的具有特殊磁性的磁性金属HoAgGe进行的。这种材料的特点是钬原子的原子电子自旋呈三角形。

　　由于不可能同时满足每个三角形上的所有成对相互作用，因此出现了磁受挫状态。它具有每个三角形的几个能量简并构型，被称为Kagome自旋冰。这些旋转位于三角形的边缘，类似于编织的日本“Kagome”篮子。适用于水冰的类似规则决定了磁矩的可能构型。

　　与普通磁体相比，Kagome自旋冰的磁矩不是沿一个方向排列，而是服从复杂的手性模式，即具有不同的旋转感。它们是在低温的外加磁场中产生的，在1/3和2/3的值处具有分块磁化平台。上图显示了两种具有相似能量和1/3饱和磁化强度的模式。

　　奥格斯堡大学研究小组的研究系统地调查和分析了低温下的反常霍尔效应。令人惊讶的是，对于1/3磁化的两种模式，发现了不同的异常霍尔效应值，如图中红色和黑色曲线所示。

　　对数据的建模揭示了一种潜在的独特的隐藏对称性:将一种模式转换为另一种模式需要180°旋转和扭曲逆转的组合。两种不同模式的传导电子散射导致其波函数相位的不同曲率，这导致了异常霍尔效应的差异，尽管两种不同模式的能量和磁化相似。

　　更一般地说，这一观察表明了测量磁性受挫金属中反常霍尔效应的新潜力，以及通过电测量揭示隐藏的对称性和状态。Gegenwart说:“对于最小原子尺度的永磁数据存储来说，这可能也很有趣。”然而，这需要本地寻址和选择性切换这些模式的旋转感。